汽轮机高压内缸紧固螺栓高温断裂失效原因分析

黄友桥，王 飞，彭以超，楼玉民

（1.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 兰溪 321100；2.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003）

Nimonic 80A螺栓是一种镍基高温合金，是以Ni和Cr为基加Al和Ti时效硬化型合金，在650~800℃时具有抗蠕变性能和抗氧化性能[1]。Nimonic 80A合金的合金化程度较低，含Al（1.0%~1.8%（质量分数， 下同））、 Ti（1.8%~2.7%）作为 γ相的生成元素[2]以强化合金，含Cr（18%~21%）使合金具有良好的耐腐蚀性能。合金基体相对较纯净，由于不含W，Mo，Nb等碳化物形成元素，降低了因碳化物过多使晶界变脆而使得塑性减弱的可能[3]。

1 概况

兰溪发电厂2号机组汽轮机于2016年6月完成通流改造，高、中压内缸整体更换。2016年11月发现高压缸有漏汽现象，2017年5月2日揭缸后发现高压内缸法兰螺栓存在断裂情况。如图1所示，左侧螺栓U1和U3断，右侧螺栓U2断和U4裂。发生断裂的螺栓材质均为Nimonic 80A（NiCr20TiAl），U1和U2规格为 M160×849 mm， U3和U4规格为M160×863 mm。高、中压内缸其他螺栓的材质为X19CrMoVNb，经超声波检查未发现缺陷，高、中压内缸的缸体未发生明显变形。

图1 断裂螺栓安装位置

2 宏观检查

对螺栓U1-U3的中心孔进行了内窥镜检查，中心孔内壁均未发现明显异常；对螺栓U4的中心孔也进行了内窥镜检查，与外缘开裂位置对应的中心孔内壁未裂穿，说明裂纹是由外向内发展[4]。

图2为2号汽轮机螺栓U3断面宏观形貌。裂纹从螺牙的根部外缘萌发，向螺栓的中心孔扩展；螺栓断口起裂区较小，扩展迅速，呈现明显的脆性断裂特性。

图2 2号汽轮机螺栓U3断面宏观形貌

图3为2号汽轮机螺栓U2断面宏观形貌。螺纹根部存在多处起源；断口呈相对平坦的脆性破坏；在最终剪切过载断裂区域前有小区域平滑疲劳裂纹传播；断裂后断口存在局部微动损伤。

图3 2号汽轮机螺栓U2断面宏观形貌

图4为2号汽轮机螺栓U4断面宏观形貌。断口从螺纹一侧根部多处起源；早期断裂区域相对平坦，呈脆性断口且沿螺栓轴线方向；后期断裂为与螺栓轴线呈45°方向；在最终剪切过载断裂区域前有小区域平滑疲劳裂纹传播；有红褐色变色[5-6]。

图4 2号汽轮机螺栓U4断面宏观形貌

3 成分分析

采用直读式光谱仪对螺栓样品进行成分分析，检测结果见表1。

表1 螺栓化学成分检测结果

分析结果显示，螺栓样品的牌号为Nimonic 80 A，其成分符合标准要求。

4 力学性能分析

对螺栓样品进行常温布氏硬度分析，结果见表2。可以看出，所检验螺栓的布氏硬度值符合标准要求。

表2 螺栓样品布氏硬度分析

对螺栓样品进行常温冲击性能分析，基本符合标准要求，见表3。

表3 螺栓样品常温（20℃）冲击试验分析

对螺栓样品腰部切割3只片状试样（图5）进行室温拉伸试验，结果见表4。2-U3样品1断后延伸率略低于标准要求，其他试样抗拉强度、屈服强度、断后伸长率都符合Nimonic 80A牌号材料的相关标准要求。值得一提的是，虽然拉伸试样断裂前延伸率达到24%~26%，但是断口附近基本无颈缩，即断裂瞬间仍呈现脆性[7]。

图5 螺栓样品常温拉伸试样

表4 螺栓样品常温拉伸试验分析

对常温拉伸断口进行扫描电镜分析，见图6。可以看出，断口也基本呈沿晶断口，并且存在较多二次裂纹，与服役时断裂螺栓的断口类似。由于应变速率相对较快，因此断裂晶面上也存在许多细小韧窝，韧窝内分布着碳化物颗粒[8]。

5 显微组织分析

图7为2号汽轮机螺栓U2的断面显微形貌。可以看出，裂纹源附近和中心孔附近基本为沿晶断裂，并且存在较多二次裂纹。

图6 螺栓样品常温拉伸试样断口形貌

2号汽轮机螺栓U3金相组织如图8所示。取样位置如图8（a）所示。样品螺栓的金相中存在明显的带状偏析（图8（b）），偏析条带和非偏析条带之间的晶粒大小严重不均匀，细晶区的晶粒度约为6~7级，粗晶区的晶粒度约为3~4级。如图8（c）所示，断口附近有大量裂纹，均为沿晶开裂，其中纵向裂纹大多从粗晶区与细晶区的交界处萌发。距断口较远的局部区域也发现裂纹的存在。

图7 2号汽轮机螺栓U2的断面显微形貌

图9为兰溪发电厂4号汽轮机断裂螺栓U2的显微组织。断裂螺栓的金相中存在明显的带状组织（图9（a）），带状组织由大量的析出物所组成。析出物成分为一般为CrnCm，形状多为沿轴向的条状或者蚕豆状，长度3~15 μm，少数为圆球状，在晶界和晶粒内部均有分布（图9（b））。析出相的带状分布导致晶粒度也呈带状分布，大小严重不均匀，构成典型的晶粒双峰分布。图9（c），9（d）为横截面金相，也可以看出明显的混晶组织。

断口附近裂纹主要为沿晶裂纹（图 9（e）， （f）），并且裂纹主要在粗晶区扩展，这可能与细晶区裂纹扩展需消耗较多能量有关。

6 负蠕变效应对于Nimonic 80A螺栓的影响

钢和合金在高温下受拉伸应力的作用会随时间而逐渐伸长，这称为高温蠕变。与此相反，如果在一定条件时材料在高温和应力作用下随时间逐渐缩短，则称为负蠕变[9]。图10为使用Jmat-Pro材料性能计算软件并结合Ni基数据库计算得到的Nimonic 80A合金平衡状态相图，可以看出在平衡状态下约530℃以下会出现有序相Ni2Cr相的转变。对于Nimonic 80A螺栓来说，由于采用固溶后水淬并在其后的2次时效处理基本都是700℃以上[10]，因此避开了Ni2Cr相的析出温度，使得正常Nimonic 80A螺栓中只有γ，γ′和一些碳化物[11-12]，而没有Ni2Cr相[13]。Ni80合金基体γ相主要为Ni和Cr，通常来说Ni原子和Cr原子处于固溶状态，是一种无序结构；但是在比较长的时间和相对低的温度服役后，晶格原子Ni，Cr的有序化会发生，形成具有化学计量成分的Ni2Cr相。有序化转变经常出现在几千小时时效以后，由于时效过程中使得 γ′-Ni3（Al， Ti）继续析出长大，降低了γ相中的Ni含量，使得γ基体成分越接近2∶1，Ni2Cr有序化转变速度越快，即有序化转变速度与γ基体成分偏离2∶1的程度息息相关[14]。

图8 2号汽轮机螺栓U3金相组织

图9 4号汽轮机螺栓U2金相组织

图10 Nimonic 80A合金平衡相图

对于Nimonic 80A合金，有序化转变会造成较大范围内晶格收缩约0.1%，从而导致应力增加，即产生负蠕变。 图11（a），（b）分别为Nimonic 80A在固定应变时（分别为0.1%和0.15%）不同温度下的应力松弛曲线[15-16]，可以看出，在温度大于500℃时Nimonic 80A表现出正常的应力松弛行为（即残余应力随时间逐渐下降）；而当温度低于500℃时，由于Ni2Cr有序化转变造成的晶格收缩变成主要影响因素，可以看出比较明显的负蠕变行为。

据厂家提供资料，兰溪发电厂2号、4号汽轮机高压内缸法兰螺栓温度为500℃以下，恰好处于Nimonic 80A合金的有序化转变温度区间，从图11可以看出服役1 000 h后材料内部应力增大非常明显（螺栓紧固应变为0.225%）。如果在该温度下长时间运行会产生比较明显的负蠕变，造成螺栓内部应力超过设计应力甚至过载，这可能是造成Nimonic 80A高压内缸螺栓断裂的一个重要原因。而2号、4号汽轮机中压内缸法兰螺栓部位温度较高（500℃以上），负蠕变效应在动力学上较为缓慢，螺栓内应力仍在设计应力范围内，因此中压内缸Nimonic 80A螺栓没有发生断裂。值得一提的是，由于螺栓处没有温度测点，因此具体高、中压内缸螺栓实际温度范围还需要进行深入分析，以评估负蠕变对于螺栓内应力的影响。

图11 Nimonic 80A应力松弛曲线

7 应力腐蚀开裂

对送检螺栓进行了能谱分析，未检测出Cl，S2等腐蚀性元素成分。但是其中一颗送检螺栓被检测出含有Mo元素，考虑到MoS2对镍基螺栓存在一定的腐蚀性，且防咬合剂中常含有此类元素，螺栓在负蠕变的情况下，应力腐蚀也可能是Nimonic 80A高压内缸螺栓断裂的原因之一。

8 结论

Nimonic 80A螺栓高温失效可能与以下因素有关：螺栓晶粒大小不均匀，存在明显的带状组织；Nimonic 80A螺栓材料与缸体材料膨胀不同步，且该材料在500℃以下某一温度区间会出现负蠕变现象，造成应力上升从而容易在应力最集中部位开裂；防咬合剂中的腐蚀元素引起应力腐蚀开裂。

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